高层建筑中剪力墙结构设计浅析

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【摘 要】高层建筑剪力墙结构设计，结构布置应合理，结构分析需精细，结构方案、设计计算方法以及相应的构造措施要科学。

【关键词】剪力墙；结构设计；结构分析

引言

近年来，随着高层建筑的增多，剪力墙结构体系因其整体性好，刚度大、侧向变形小、抗风、抗震性能好，得到了广泛的应用。笔者根据自己的实际经验，提出了在高层建筑剪力墙设计中应引起重视和把握住几个关键环节的体会和建议。

1、结构合理布置

结构布置应考虑到能削弱地震反应，平面刚度力求对称，竖向力求等强，合理确定其抗侧刚度中心位置，使水平合力作用点通过或靠近刚度中心，避免产生扭转影响。屋面小塔楼设计要合理，整体上应注意利用赘余杆件来增多抗震防线，掌握强节点弱杆件、强剪弱弯、强柱弱梁等设计概念。剪力墙的布置应力求各向均匀，结构的刚度中心和质量中心尽量接近，减少地震产生的扭转。过长的房屋避免在两端设置纵向剪力墙，保证电梯、楼梯井所构成的抗侧力核心区墙体及楼面梁板刚度。房屋四周阳角宜用“L”形墙，内墙用“T”“十”型墙，防止出现“一”字墙。平面及竖向结构布置均应满足规范的基本规定。

高层建筑应有较好的空间工作性能，剪力墙结构应双向布置，形成空间结构。在抗震结构中，应避免单向布置剪力墙，并宜使两个方向抗侧刚度接近，即两个方向的自振周期宜相近。

剪力墙布置对结构的抗侧刚度有很大影响，剪力墙沿高度不连续，将造成结构沿高度刚度突变，所以应要求剪力墙自上到下连续布置。允许沿高度改变墙厚和混凝土等级，或减少部分墙肢，使抗侧刚度沿高度逐渐减小。

细高的剪力墙容易设计成受弯曲破坏的延性剪力墙，从而可避免脆性的剪切破坏。在抗震结构中剪力墙结构应具有延性，设计中墙的高宽应比不应小于2。当墙的长度很长时，为了满足每个墙段高宽比大于2的要求，可通过开设洞口将长墙分成长度较小、较均匀的独立墙段，每个独立墙段可以是整体墙，也可以是联肢墙。

2、结构方案要精细

结构方案设计的好坏对结构设计的材料耗量影响最大，有资料表明设计工作将影响到投资的25%至80%。

一般情况下，剪力墙结构中无论采用大开间或小开间方案，都能满足规范中规定的要求，其墙体配筋一般只是构造配筋。一些资料表明，若将传统的小开间剪力墙方案改为大开间并适当合理地采用一些短肢墙或异形柱，合理地减少墙体用量，经过计算分析设计结构布置，不但能使结构取得较好的经济效益还能取得较好的建筑功能效果。

剪力墙洞口的设计，会极大地影响剪力墙的力学性能。因此，布置剪力墙洞口时应满足如下要求： （1）规则开洞，洞口成列、成排布置，能形成明确的墙肢和连梁，应力分布比较规则，又与当前普遍应用程序的计算简图较为符合，设计结果安全可靠。同时宜避免使墙肢刚度相差悬殊的洞口设置； （2）对于错洞剪力墙和叠合错洞墙，二者都是不规则开洞的剪力墙，其应力分布复杂，容易造成剪力墙的薄弱部位，常规计算无法获得其实际内力，构造比较复杂。叠合错洞墙比错洞口墙更为不利，设计时应尽量避免。 （3）具有不规则洞口剪力墙的内力和位移计算应符合规程的有关规定。目前除了平面有限元方法外，尚没有更好的简化方法计算。对结构整体计算中采用了杆系、薄壁杆系模型或对洞口作了简化处理的其他有限元模型时，应对不规则开洞墙的计算结果进行分析、判断，必要时应进行补充计算和校核。

3、准确分析剪力墙受力状态

剪力墙是一平面构件，它承受沿其平面的水平剪力和弯矩，还承担竖向压力，在轴力、弯矩、剪力的复合状态下工作。其受水平力作用时，类似于一根底部嵌固于基础上的悬臂深梁，弯曲变形和剪切变形是墙体侧移的主要因素，而平面外的刚度和承载力很小。因此，设计中应在满足必要的强度前提下，通过概念设计，考虑好构造措施，以提高整个结构特别是薄弱部位的变形能力。若能先利用剪力墙整体系数判别剪力墙的所属类别后，便可根据各类墙的受力性能合理考虑其构造措施。在一般剪力墙结构中，外纵墙属于壁式框架，山墙属小开口墙或整体墙，内横墙和内纵墙属联肢墙或小开口墙，因此应有针对性地根据结构的受力特性和破坏形态考虑设计方案和构造措施。为安全起见，设计剪力墙时应将加强部位范围适当扩大，抗震设计时，一般剪力墙结构底部加强部位的高度可取墙肢总高度的1/8和底部两层二者的较大值，当剪力墙高度超过150m时，为避免加强区太高，其底部加强部位的高度可取墙肢总高度的1/10。

4、结构的整体性

在高层建筑结构中，楼盖对于结构的整体性起到非常重要的作用。楼盖相当于水平隔板，它不仅聚集和传递惯性力到各个竖向抗侧力结构，而且要使这些子结构能协同承受地震作用，特别是当竖向抗侧力结构布置不均匀或布置与抗侧力子结构水平变形特征不同时，整个结构就要依靠楼盖使抗侧力子结构能协同工作。楼盖体系最重要的作用是提供足够的平面内刚度和内力，并与竖向子结构有效连接，当结构空旷、平面狭长、平面凹凸不规则，楼体开大洞口时更应特别注意，设计中不能误认为在地震作用计算中考虑了楼板平面内弹性变形影响后，就可以削弱楼盖体系。为了保证结构的整体性，抗震结构中出现塑性铰的部位应作为加强部位。而剪力墙顶层、楼电梯间墙等不宜作为加强部位，这样作的目的是对塑性铰部位可以有更明确的措施，与由于温度、收缩等需要的加强措施区别。剪力墙的整体性以剪力墙的整体性系数α表示。因此，α即反映了连梁与墙肢的刚度比，同时又考虑了墙肢轴向变形的影响。剪力墙分类时，在一般情况下利用其整体工作系数α是可以说明问题的，但也有例外情况。例如：对洞口很大的壁式框架，当连梁比墙肢线刚度大很多时，则计算的α值也很大，表示它具有很好的整体性。因此，壁式框架与整截面墙或整体小开口墙都有很大的α值，但从两者弯矩图分布来看，壁式框架与整截面墙或整体小开口墙是受力特点完全不同的剪力墙。

5、注意提高结构构件的延性

结构或构件的延性，是指结构或构件在承载力没有显著下降的情况下承受变形的能力。结构的延性好则变形能力好，抗震性能好，有利于防止大地震时结构突然倒塌。因此进行结构设计应该设法提高结构中的重点结构构件和关键部位的延性。例如，在平面布置上，注意提高房屋周边转角处以及复杂平面各翼相接处的构件及联接的延性。在竖向应注意提高有可能出现塑性变形集中的相对薄弱楼层的杆件延性，着重加强底层杆件的延性。总之，结构中何处应加强其结构刚度，何处需加强其配筋，控制其杆件的尺寸及配筋率要求等均应做到有利于提高结构的延性。所以应根据强节点、弱杆件、保整体、强剪弱弯的原则，防止盲目加强或削弱结构的某一部分，影响其结构延性。出于改善延性的考虑，抗震设计时，各层短肢剪力墙在重力荷载代表值作用下产生的轴力设计值的轴压比，抗震等级为一、二、三时分别不宜大于0.5、0.6和0.7（对一般剪力墙，三级抗震等级时轴压比未限制）；对于无翼缘或端柱的一字形短肢剪力墙，其延性更为不利，因此轴压比限值要相应降低0.1。

6、结束语

本文通过探讨高层框架建筑的剪力墙结构设计中的一些重要环节，并做了相应的分析，以便更进一步认识高层建筑框架的剪力墙结构设计时相关的控制点。在剪力墙结构设计过程中，一定要把握科学性、合理性、整体性，一定要综合考虑各种因素的影响，使剪力墙结构安全可靠、经济适用。